(57)【要約】  駆動装置１は、電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子７と、電気機械変換素子７によって移動させられる駆動部材８と、駆動部材８に滑り変位可能に係合する移動体９と、移動体９に当接することで移動体９の移動を制限する規制部材１０，１１と、電気機械変換素子７に周期的に変化する駆動電圧を印加する駆動回路３と、電気機械変換素子７のインピーダンスを検出する検出回路４と、検出回路４の検出値が所定値以上であるとき、移動体９が規制部材１０，１１に当接していると判断する判定手段５とを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、
前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、
前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材と、
前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加する駆動回路と、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出する検出回路と、
前記検出回路の検出値が所定値以上であるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断する判定手段とを有することを特徴とする振動型駆動装置。
【請求項２】
前記検出回路は、前記駆動電圧の印加によって流れる電流値を検出することを特徴とする請求項１に記載の振動型駆動装置。
【請求項３】
前記電気機械変換素子は、電圧の印加によって鋸歯状の機械的変位を生じることを特徴とする請求項１または２に記載の振動型駆動装置。
【請求項４】
電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、
前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、
前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法であって、
前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加しながら、前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、
前記インピーダンスの検出値が所定値以上になったとき、前記駆動電圧の印加を停止することを特徴とする振動型駆動装置の制御方法。
【請求項５】
電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、
前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、
前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法であって、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、
前記インピーダンスの検出値が所定値以上である状態で、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加し、
前記インピーダンスの検出値が所定値より小さくなってから、予め定めた時間の経過後に、前記駆動電圧の印加を停止することを特徴とする振動型駆動装置の制御方法。
【請求項６】
電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、
前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、
前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法であって、
前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、
前記インピーダンスの検出値が所定値以上である状態で、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加し、
前記インピーダンスの検出値が前記所定値より小さくなってから、再度前記所定値以上になるまでの時間を計測することで、前記移動体の移動速度を算出することを特徴とする振動型駆動装置の制御方法。
【請求項７】
前記電気機械変換素子は、電圧の印加によって鋸歯状の機械的変位を生じることを特徴とする請求項４から６の何れか１項に記載の振動型駆動装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型駆動装置および振動型駆動装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧を機械的変位に変換する電気機械変換素子によって駆動部材を軸方向に鋸歯状に非対称に振動させて、駆動部材に摩擦係合する移動体を駆動部材に対して軸方向に滑り変位させる振動型駆動装置が公知である。振動型駆動装置では、電気機械変換素子に印加する駆動電圧の１周期当たりの移動体の変位量が厳密には一定でなく、実際の移動体の位置が、駆動電圧から推定される位置からずれてしまう場合がある。このため、従来の振動型駆動装置で位置決めを行う場合、特許文献１に記載されているように、移動体の位置を検出するセンサを設ける必要があった。【０００３】
また、簡易な構成として、移動体に当接して移動体の可動範囲を定める部材を設け、移動体を可動範囲よりも十分に長い距離を移動させ得るだけの駆動電圧を印加することで、一度、移動体を可動範囲の一端に移動させ、この可動端を基点として、所望の位置まで移動体を移動させるだけの駆動電圧を印加することで、移動体の位置決め誤差を抑制するものもある。【０００４】
しかしながら、この構成では、移動体が可動端に達してからも、一定時間は駆動電圧を印加し続けることが必要であり、駆動に時間がかかるという問題がある。例えば、２つの振動型駆動装置によって、移動体をＸ−Ｙ方向に走査移動させる場合、１走査毎に移動体を可動端まで移動させる必要があり、このような余分な駆動時間が積み重なって大きなタイムロスとなる。【０００５】
また、従来の振動型駆動装置では滑り変位を用いているために、移動体が可動端に達してからも移動体は駆動部材上を滑り、電気機械変換素子は振動し続ける。そのため、可動端近傍の位置で駆動部材等の偏摩耗が生じ易いという問題もある。このような偏摩耗は、異常な摩擦を生じさせるため、移動体が可動端において一時的に駆動部材に固着した状態になり、移動体を可動端から移動させようとして駆動電圧を入力したときに移動体の動き出しが遅れることで、移動体を所望の位置に位置決めできなくなる場合がある。【０００６】
可動端における余分な駆動をなくすために、移動体が可動端に達したことを検出できるセンサを設けることが考えられるが、センサの検出精度が装置の位置決め精度に直結するので、高価なセンサを使用する必要があり、大きなコストアップは避けられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−７８８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題点に鑑みて、本発明は、低コストで移動部材が可動端に達したことを検出できる振動型駆動装置、および、移動体の位置決めのために過剰な駆動電圧を印加しない振動型駆動装置の制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明による振動型駆動装置は、電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材と、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加する駆動回路と、前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出する検出回路と、前記検出回路の検出値が所定値以上であるとき、前記移動体が前記規制部材に当接していると判断する判定手段とを有するものとする。【００１０】
この構成によれば、移動体が規制部材に当接すると、電気機械変換素子の変位によって移動する駆動部材とともに移動体が規制部材側にさらに移動することを妨げるので、電気機械変換素子にその変位を抑制する力が作用し、この結果として、電気機械変換素子のインピーダンスが上昇する。したがって、インピーダンスの検出値がある値以上であれば、移動体が規制部材に当接する可動端にあると判断できる。これにより、移動体が規制部材に当接してから、さらに、規制部材側に移動させるような駆動電圧を印加する無駄な制御が必要なく、移動体の素速い位置決めができ、可動端における駆動部材の偏摩耗を防止することもできる。【００１１】
また、本発明の振動型駆動装置において、前記検出回路は、検出抵抗を用いて、前記駆動電圧の印加によって流れる電流値を検出する周知の構成のものであってもよい。【００１２】
さらに、本発明の振動型駆動装置において、前記電気機械変換素子は、電圧の印加によって鋸歯状の機械的変位を生じるものであってもよい。【００１３】
また、本発明によれば、電圧が印加されると機械的変位を生じる電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子によって移動させられる駆動部材と、前記駆動部材に滑り変位可能に係合する移動体と、前記移動体に当接することで前記移動体の移動を制限する規制部材とを有する振動型駆動装置の制御方法の第１の態様は、前記移動体を前記規制部材に当接させるために、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加しながら、前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、前記インピーダンスの検出値が所定値以上になったとき、前記駆動電圧の印加を停止する方法とする。【００１４】
また、本発明による振動型駆動装置の制御方法の第２の態様は、前記移動体を前記規制部材から予め定めた距離だけ離間させた位置に停止させるために、前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、前記インピーダンスの検出値が所定値以上である状態で、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加し、前記インピーダンスの検出値が所定値より小さくなってから、予め定めた時間の経過後に、前記駆動電圧の印加を停止する方法とする。【００１５】
これらの方法によれば、前記移動体が前記規制部材に当接したならば、直ぐに駆動電圧の印加を停止するので、駆動時間が短く、可動端における駆動部材の偏摩耗を防止することもできる。【００１６】
また、本発明による振動型駆動装置の制御方法の第３の態様は、前記電気機械変換素子のインピーダンスを検出し、前記インピーダンスの検出値が所定値以上である状態で、前記電気機械変換素子に周期的に変化する駆動電圧を印加し、前記インピーダンスの検出値が前記所定値より小さくなってから、再度前記所定値以上になるまでの時間を計測することで、前記移動体の移動速度を算出する方法とする。【００１７】
さらに、本発明の振動型駆動装置の制御方法の第１から第３の態様において、前記電気機械変換素子は、電圧の印加によって鋸歯状の機械的変位を生じるものであってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、電気機械変換素子のインピーダンスによって移動体が可動端に達したことを確認できる。したがって、本発明の振動型駆動装置は、余分な駆動電圧の印加が必要ないため、移動体の位置決めに要する時間を短くできる。また、本発明の振動型駆動装置は、余分な駆動を行わないことで駆動部材等の偏摩耗を防止できるので、位置決め精度が低下し難く、頻繁な較正が不要で、長寿命である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態の振動型駆動装置の回路図である。
【図２】図１の振動型駆動装置の駆動電流の波形を示す図である。
【図３】図１の振動型駆動装置の移動体を原点復帰させる制御の流れ図である。
【図４】図１の振動型駆動装置の移動体の移動速度を算出するための制御の流れ図である。
【図５】本発明の第２実施形態の振動型駆動装置の回路図である。
【図６】図４の振動型駆動装置の検出回路が検出する電流の波形を示す図である。
【図７】図４の振動型駆動装置の移動体を所定の位置に移動させる制御の流れ図である。
【図８】図４の振動型駆動装置の移動体の移動速度を算出するための制御の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に、本発明の第１実施形態の振動型駆動装置１の構成を示す。振動型駆動装置１は、機械的構成要素であるアクチュエータ２と、アクチュエータ２に駆動電圧を供給する駆動回路３と、アクチュエータ２の駆動電流を検出する検出回路４と、コンピュータからなる制御装置５とを有する。
【００２１】
アクチュエータ２は、一端が錘６に固定され、駆動電圧が印加されると伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）７と、圧電素子７の伸縮によって軸方向に振動する軸状の駆動部材８と、駆動部材８に滑り移動可能に摩擦係合する移動体９と、移動体９に当接して移動体９の移動を制限し、移動体９の可動範囲を定める規制部材１０，１１とを有する。
【００２２】
駆動回路３は、制御装置５から入力される制御信号Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってそれぞれスイッチングされる４つのＦＥＴ１２，１３，１４，１５によって、圧電素子７の両電極を、直流電源１６に接続、または、接地するブリッジ回路である。
【００２３】
検出回路４は、駆動回路３の圧電素子７を接地するための電路に設けた検出抵抗（シャント抵抗）１７の両端の電位差を出力する比較器１８と、比較器１８の出力を増幅する増幅器１９と、増幅器１９の出力をディジタル化するＡＤ変換器２０とを有する。検出回路４の出力、つまり、圧電素子７の放電電流の電流値を示すディジタル信号は、制御装置５に入力される。
【００２４】
振動型駆動装置１において、駆動回路３からアクチュエータ２の圧電素子７に周期的な駆動電圧が印加されると、圧電素子７の伸縮により、駆動部材８が軸方向に鋸歯状の速度変化で往復移動する。移動体９は、駆動部材８が緩慢に移動するときは、駆動部材８に摩擦係合したまま駆動部材８とともに移動するが、駆動部材８が急峻に移動するときは、自身の慣性力によってその場に留まり、駆動部材８に対して滑り変位する。
【００２５】
例えば、駆動回路３は、周波数１４０ｋＨｚ、デューティ比０．３の周期的な矩形波状の駆動電圧を出力して、移動体９を圧電素子７から遠ざける繰出方向に滑り変位させ、周波数１４０ｋＨｚ、デューティ比０．７の矩形波状の駆動電圧を出力して、移動体９を圧電素子７に近付ける引戻方向に滑り変位させる。この駆動電圧の周波数は、アクチュエータ２の共振周波数より低く、共振周波数の約０．７倍に相当する。
【００２６】
検出回路４が検出する圧電素子７の放電電流は、駆動電圧の波形（電圧およびスイッチング波形）と、圧電素子７のインピーダンスとによって決定される。つまり、検出回路４は、直接的には、駆動回路３を流れる電流を検出しているが、圧電素子７のインピーダンスを検出しているとも言える。
【００２７】
図２に、検出回路４の検出値、つまり、検出抵抗１７を流れる電流の変化を示す。圧電素子７は、電気的には、キャパシタに近似した容量性の特性を示す。したがって、駆動回路３の電流は、ＦＥＴ１２，１３，１４，１５の状態を切り替えた瞬間に極大値を示し、その後、漸減してゆく変化を繰り返す。このような波形を検出するために、検出回路４のＡＤ変換器２０は、十分に短い周期で、例えば、０．１μｓｅｃ毎に（サンプリング周波数１０ＭＨｚで）、ＡＤ変換を行う。
【００２８】
制御装置５は、検出回路４から入力された検出値から、ＦＥＴ１２，１３，１４，１５のスイッチングの１周期毎に、その最大値（ピーク電流値）を抽出する。駆動回路３の電流のピーク値は、図２に示すように、移動体９が可動範囲内側にあるとき、つまり、規制部材１０，１１に当接していないときは、約１０００ｍＡであるが、移動体９がその可動端に達し、規制部材１０または１１に当接すると、約９００ｍＡに低下する。このため、制御装置５は、検出回路４の検出電流のピーク値の閾値を９５０ｍＡとし、検出したピーク値が９５０ｍＡ以下であれば、移動体９が規制部材１０または１１に当接していると判断し（判定手段）、状況に応じて駆動回路３を適切に制御する。
【００２９】
例えば、本実施形態において、移動体９が規制部材１１に当接する可動端から一定の距離（例えば５０μｍ）だけ離れた位置を原点として、移動体９の位置を、原点復帰してから印加した駆動電圧のパルス数の積算値に１パルス当たりの移動量（例えば±０．１μｍ）を乗じた位置として認識する場合、移動体９を原点復帰させる際は、図３に示すような制御を行う。移動体９の原点は、例えば、振動型駆動装置１をフォーカスレンズの駆動に用いる場合、焦点距離が無限大となる位置に定められる。移動体９の原点を可動端から離れた位置とするのは、製品毎のばらつきがあっても、可動範囲内に焦点距離が無限大になる位置が確実に存在するように設計するためである。
【００３０】
この原点復帰の制御では、制御装置５は、駆動回路３に移動体９を繰出方向に移動させる駆動電圧を連続して出力させながら、各駆動電圧のパルス毎に検出回路４が検出した電流値からピーク値を抽出する。そして、制御回路５は、抽出したピーク値が９５０ｍＡ以下となったならば、駆動回路３に、直ちに駆動電圧の出力を停止させ、そして、移動体９を可動端から原点まで移動させるのに必要なパルス数（例えば５００パルス）の引戻方向の駆動電圧を出力させる。
【００３１】
また、本実施形態では、図４に示すように、移動体９を、規制部材１０に当接する位置から規制部材１１に当接する位置まで移動させて、それに要する時間を計測することで、移動体９の移動速度を算出し、移動体９を移動すべき距離に対する印加すべき駆動電圧のパルス数の演算式を補正する。この制御は、例えば、振動型駆動装置１の電源を入れたときに実行される。
【００３２】
具体的には、図４に示すように、先ず、制御装置５は、駆動回路３に、移動体９を引戻方向に移動させる駆動電圧を連続して出力させ、各駆動電圧のパルス毎に検出回路４が検出した電流値からピーク値を抽出し、抽出したピーク値が９５０ｍＡ以下となったならば、移動体９が規制部材１０に当接していると考えられるので、駆動回路３に駆動電圧の出力を停止させる。続いて、制御装置５は、駆動回路３に、移動体９を繰出方向に移動させる駆動電圧を連続して出力させるとともに、タイムカウンタをスタートさせて時間計測を開始する。尚、時間の計測は、駆動電圧の１サイクルを単位時間として表現することが簡便である。
【００３３】
そして、制御装置５は、各駆動電圧のパルス毎に検出回路４が検出した電流値からピーク値を抽出し、抽出したピーク値が９５０ｍＡ以下となったならば、移動体９が規制部材１１に到達したと考えられるので、駆動回路３に駆動電圧の出力を停止させるとともに時間計測を終了する。最後に、制御装置５は、移動体９が規制部材１０に当接する位置から規制部材１１に当接する位置までの距離をタイムカウンタで計測した時間で除することで、移動体９の移動速度（駆動電圧１パルス当たりの移動距離）を算出する。
【００３４】
これにより、制御装置５は、移動体９の位置または移動量を指示する信号が外部から入力されたとき、駆動回路３に出力させるべき駆動電圧のパルス数を算出するための演算式を補正することで、移動体９の位置決め精度を高める。つまり、本実施形態の振動型駆動装置１では、環境温度の変化や、各部材の摩耗等による移動速度の変化を自己補正するので、定期的な較正作業が不要である。
【００３５】
振動型駆動装置１において、図３の制御と図４の制御とを組み合わせて、図４の制御によって移動体９の速度を算出するために、移動体９を規制部材１１に当接させた状態から、所定のパルス数の駆動電圧を印加することによって、移動体９を原点に復帰させてもよい。
【００３６】
また、本実施形態では、ＦＥＴ１４，１５とグランドとの間に、検出抵抗１７が挿入されているが、図１において、例えば、直流電源１６とＦＥＴ１２，１３との間の電路（Ａ点）や、駆動回路３と圧電素子７との間の電路（Ｂ点）に検出抵抗１７を挿入して、その両端の電位差を検出回路４によって検出することで、圧電素子７のインピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００３７】
さらに、図５に、本発明の第２実施形態の振動型駆動装置１ａの構成を示す。本実施形態に関し、第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付して、重複する説明を省略する。
【００３８】
本実施形態の振動型駆動装置１ａにおいて、直流電源１６は、無視できない内部抵抗１６ａを有し、出力インピーダンスが高い。このため、振動型駆動装置１ａは、駆動回路３のＦＥＴ１２，１３の直前の電路に、十分な静電容量を有し、電流バッファとなる平滑コンデンサ２１が設けられている。そして、本実施形態では、検出抵抗１７は、直流電源１６と平滑コンデンサ２１との間に挿入されている。よって、検出回路４は、この検出抵抗１７の両端の電位差を検出することで、圧電素子７のインピーダンスを検出するように設けられている。
【００３９】
本実施形態においても、アクチュエータ２の圧電素子７の充電電流および放電電流は、第１実施形態と同様に、図２に示した波形となる。しかしながら、直流電源１６は、内部抵抗１６ａのために、瞬間的に大きな電流を供給することができないので、圧電素子７の電流が大きいときは、平滑コンデンサ２１にチャージされている電荷が圧電素子７に供給される。そして、平滑コンデンサ２１には、図６に示すように、直流電源１６から、少しずつ電荷がチャージされる。したがって、図６の電流波形は、図２の電流波形を平滑化したものであり、両者の電流波形の積分値は等しくなる。
【００４０】
本実施形態では、検出回路４が、圧電素子７を流れる電流の平均値を検出するので、制御装置５は、検出回路４から入力された検出値をそのまま利用すればよく、ピーク値を抽出するような高速な処理が要求されない。
【００４１】
図７に、本実施形態における移動体９の原点復帰処理の流れを示す。本実施形態では、検出電流が４７．５ｍＡ以下になったとき、移動体９が規制部材１０，１１に当接していると判断する。
【００４２】
また、本実施形態では、繰出方向の駆動電圧を印加して、移動体９が規制部材１１に到達したなら、引戻方向の駆動電圧を連続して印加し、検出電流が４７．５ｍＡより大きくなってから、移動体９を可動端から原点まで移動させるのに必要なパルス数の駆動電圧を印加する。つまり、本実施形態では、機械的な駆動端における偏摩耗等によって、可動端において移動体９が一時的な固着状態になり、駆動電圧が印加されても移動体が移動しない場合があるため、移動体９が規制部材１１から離間して、移動を開始したことを確認してから、原点まで移動させるのに必要な駆動電圧を印加するようにしている。
【００４３】
尚、本実施形態において、移動体９が規制部材１０，１１に当接、または、規制部材１０，１１から離間したとき、検出回路４が検出する電流値は、図６に示すように徐々に低下するため、圧電素子７のインピーダンス変化の検出に遅れが生じる。したがって、この遅れ分だけ、移動体９を可動端から原点に移動させるための駆動電圧のパルス数を少なく設定することが好ましい。但し、この遅れが十分に小さければ、例えば、圧電素子７のインピーダンス変化の検出の遅れが１０パルス以下であれば、移動体９の位置決め誤差は１μｍ以下でしかなく、検出回路４の検出の遅れに起因する位置決め誤差を無視できる。したがって、検出回路４の検出の遅れが十分に小さくなるように、平滑コンデンサ２１の容量を最適化すれば、検出回路４の検出の遅れを無視してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、図８に示すように、移動体９を規制部材１０に当接する位置から規制部材１１に当接する位置まで駆動して、移動体９の移動速度を算出する際も、移動体９が規制部材１０から離間して、検出電流が４７．５ｍＡより大きくなったときに時間の計測を開始するようになっている。この場合、検出回路４の検出の遅れは、時間計測の開始時と終了時とに同じだけ発生して、互いに相殺されるため、全く考慮する必要がない。
【符号の説明】
【００４５】
１，１ａ  振動型駆動装置
２  アクチュエータ
３  駆動回路
４  検出回路
５  制御装置（判定手段）
６  錘
７  圧電素子（電気機械変換素子）
８  駆動部材
９  移動体
１０，１１  規制部材
１２，１３，１４，１５  ＦＥＴ
１６  直流電源
１７  検出抵抗
２１  平滑コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2011048948.tif 000006
【図５】
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【図６】
2011048948.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2011048948.tif 000011
2011048948.tif 000012